INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES INATEL CURSO DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE TV DIGITAL E IPTV

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1 1 INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES INATEL CURSO DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE TV DIGITAL E IPTV COMPARAÇÃO ENTRE WIMAX MÓVEL E LTE MANAUS 2011

2 INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES INATEL CURSO DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE TV DIGITAL E IPTV COMPARAÇÃO ENTRE WIMAX MÓVEL E LTE Trabalho elaborado para obtenção de nota parcial da disciplina TP417 ministrada pelo Prof. MsC. Daniel Nunes. Alunos: Carlos Alexandre Bernardo da Silva Cláudio Henrique Albuquerque Rodrigues MANAUS 2011

3 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Comparativo entre WiMAX fixo e móvel Tabela 2 Interfaces da Camada Física IEEE Tabela 3 Desempenho LTE, Downlink, Uplink e System Tabela 4 Ponto de referencia Tabela 5 Frequência usadas para WiMAX global Tabela 6 Frequência de banda LTE em FDD Tabela 7 Frequência de banda LTE em TDD Tabela 8 Taxas de dados de picodo LTE e WiMAX Tabela 9 Parametros de modulação do LTE e WiMAX Tabela 10 Aspecto MINO no LTE e WiMAX Tabela 11 Resumo comparativo entre LTE e WiMAX...38

4 LISTA DE FIGURAS Figura 1- Camada do Protocolo IEEE Figura 2 Comparação entre FDM convencional e OFDM Figura 3 Prefixo cíclico no Domínio do Tempo Figura 4 WiMAX OFDM - Símbolo no domínio da freqüência Figura 5 Arquitetura de rede WiMAX Figura 6 Estrutura Genérica do quadro de downlink e uplink do LTE Figura 7 Atribuição Downlink e Uplink de Subframe para FDD...24 Figura 8 Atribuição Downlink de Subframe para FDD Figura 9 Atribuição Uplink de Subframe para TDD Figura 10 FFT Aplicada a várias entradas no Domínio do Tempo Figura 11 Diagrama de Bloco OFDMA Transmissor-Recptor Figura 12 Estrutura dos Blocos de Recursos OFDMA Figura 13 Referencia de rede do modelo WiMAX Figura 14 Elementos de rede EPS Figura 15 Arquitetura de rede de acesso do LTE (E-UTRAN) Figura 16 Visualização 3D do OFDMA....35

5 LISTA DE ABREVIATURAS WiMAX Wi-Fi 3GPP LTE WLAN OFDMA QoS WCDMA PDSCH PBCH QPSK OFDM SC - FDMA PRACH PUSCH DSL ISP UMTS LOS NLOS BWA TDD FDD AAS SOFDMA ICI MS CSN ASN MME Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless Fidelity Third Generation Partnership Project Long Term Evolution Wireless Metropolitan Area Network Orthogonal Frequency Division Multiple Access Quality of Service Wideband Code Division Multiple Access Physics Downlink Shared Channel Physics Broadcast Channel Quadrature Phase Shift Keying Orthogonal Frequency Division Multiplexing Single Carrier Frequency Division Multiplexing Access Physics Random Access Channel Physics Uplink Synchronization Channel Digital Subscriber Lines Internet Service Provider Universal Mobile Telecommunication Systems Line of Sight Non Line of Sight Broadband Wireless Access Time Division Duplex Frequency Division Duplex Adaptive Antenna Systems Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access Inter Carrier Interference Mobile Station Connectivity Service Network Access Service Network Mobility Management Entity

6 P-GW S-GW PCRF HSS SDMA HHO MDHO Packet Data Network Gateway Serving Gateway Policy Control and Charging Rules Function Home Subscriber Server Spatial Division Multiple Access Hard Handover Macro Diversity Handover

7 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA INTRODUÇÃO AO WIMAX PADRÕES IEEE IEEE IEEE a IEEE c IEEE d IEEE e WiMAX FIXO x MÓVEL IEEE CAMADAS DE PROTOCOLO CAMADAS FÍSICAS DO PADRÃO IEEE WirelessMAN OFDM CAMADA FÍSICA RESUMO DE OFDM OFDM DOMÍNIO DO TEMPO OFDM DOMÍNIO DA FREQUÊNCIA VANTAGENS E DESVANTAGENS DO OFDM ARQUITETURA DE REDE WIMAX INTRODUÇAO AO LTE DESEMPENHO E METAS DO LTE LTE CAMADA FÍSICA ESTRUTURA DE QUADRO GENERICO DO LTE OFDMA BÁSICO TRANSMISSOR E RECEPTOR OFDMA... 26

8 5 COMPARAÇÃO ENTRE WiMAX E LTE ARQUITETURA WiMAX REFERÊNCIA DE MODELO DE REDE WiMAX ARQUITETURA LTE FREQUÊNCIA DE BANDA TECNOLOGIA DE ACESSO MÚLTIPLO TÉCNICA DE MULTIPLAS ANTENAS MODULAÇÃO MOBILIDADE CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA... 40

9 1 INTRODUÇÃO A tecnologia móvel de comunicação evoluiu rapidamente nos últimos anos devido à crescente demanda, tais como acesso aos serviços de internet em telefones celulares com uma melhor qualidade dos serviços oferecidos. Para cumprir isso, a indústria de telecomunicações sem fio trabalhou duro e definiu uma nova interface aérea para comunicações móveis, que melhora o desempenho geral do sistema, aumentando a capacidade do sistema, juntamente com a melhoria da eficiência espectral enquanto reduz as latências. Desta forma, duas tecnologias, chamadas Interoperabilidade Mundial para Acesso de Microondas - WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) e 3GPP LTE (Third Generation Partnership Project Long Term Evolution ), surgiram com o objetivo de oferecer voz, dados, vídeo e serviços multimídia em telefones móveis em alta velocidade e baixo custo final. Neste trabalho é feita uma breve abordagem dos principais pontos que envolvem essas tecnologias para efeito comparativo entre ambas, demonstrando alguns pontos vantajosos e outros contrários, para oferecer uma visão rápida sobre as possibilidades de uso dessas tecnologias no futuro imediato.

10 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA O WiMAX é a evolução do Wi-Fi (Wireless Fidelity) que por sua vez é um padrão de tecnologia para acesso de uso sem fio e também é conhecida como padrão IEEE sendo baseado em WMAN (Wireless Metropolitan Area Network). Fornece taxas de dados até 75 Mbps em uma distância de 50 km. WiMAX utiliza faixas de freqüência de GHz, que abrangem grandes áreas geográficas, usando espectro licenciado ou sem licença. O WiMAX usa OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) como técnica de multiplexação em direções uplink e downlink. O modo de operação utilizado para comunicação entre várias estações de assinante e a estação base é ponto-multiponto (PMP), enquanto que o modo de operação utilizado entre duas estações de base é ponto a ponto (PTP). Outras versões que incluem WiMAX são: IEEE e IEEE O IEEE é conhecido como WiMAX fixo, não tem mobilidade e é utilizado para os acessos fixos e nômades e não suporta handovers. O IEEE é conhecido como WiMAX móvel, que é uma extensão do WiMAX fixo, uma introdução de vários recursos para suporte avançado de Qualidade de Serviço - QoS (Quality of Service) para proporcionar alta mobilidade. O WiMAX móvel suporta taxa de dados de até 75 Mbps. O LTE (Long Term Evolution) é uma evolução da tecnologia de terceira geração com base em WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). O LTE utiliza OFDM para downlink, ou seja, a partir da estação de base para o terminal. Existem três canais físicos, tais como PDSCH (Physics Downlink Shared Channel), PMCH (Physics Multicast Channel), PBCH (Physics Broadcast Channel) no downlink utilizado para transmissão de dados, transmissão de programas e sistema de informação dentro de uma célula. Os esquemas de modulação usados são QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16 - QAM e 64-QAM. O LTE utiliza uma versão pré-codificada de OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) utilizando uma única portadora para uplink chamado SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiplexing). O SC-FDMA é usada para minimizar o pico a média potência (PAPR) causada pelo OFDM. O PAPR é a razão da potência do sinal de pico para a potência média do sinal. Existem dois canais físicos: PRACH (Physics Random Access Channel)e PUSCH (Physics Uplink Synchronization Channel), usado no uplink LTE. Para o acesso inicial PRACH é usado enquanto o equipamento utilizador não está sincronizado e enviar os dados sobre PUSCH. Os esquemas de modulação usada para uplink LTE são QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

11 3 INTRODUÇÃO AO WIMAX WiMAX, também conhecido como padrão IEEE , fornece serviços de dados sem fio usando a faixa de GHz e oferece taxas de dados até 70 Mbps em distância de 50 km. WiMAX abrange grandes áreas geográficas, usando espectro licenciado ou sem licença para fornecer serviços de Internet sem fio para usuários com altas taxas de dados. É baseado em WMAN que não é apenas uma alternativa para fios T1 e DSL (Digital Subscriber Lines), mas também fornece serviços de banda larga sem fio dentro de um edifício de um ISP (Internet Service Provider) e pode ser usado para conectar várias redes Wi-Fi em diferentes campos ou cidades. O WiMAX funciona como qualquer outra tecnologia celular e utiliza uma estação de base para estabelecer a conexão sem fio para o assinante, como a UMTS (Universal Mobile Telecommunication Systems). A comunicação entre duas ou mais estações rádio-base WiMAX pode ser ponto a ponto / LOS (Line of Sight) linha de visada, enquanto entre a estação base e o assinante pode ser ponto a Multi ponto / NLOS (Non Line of Sight ). 3.1 PADRÕES IEEE OS fabricantes de equipamentos de telecomunicações começaram a introduzir produtos para BWA (Broadband Wireless Access), no final da década de 90. Mas eles ainda estavam à procura de padrões de interoperabilidade. O Wireless National Electronics Systems Testbed (N-Oeste) convocou uma reunião em 1998, sobre a necessidade de um padrão de interoperabilidade que resultou na norma IEEE 802. Muitos esforços foram feitos nesse sentido, que mais tarde resultou na formação do padrão IEEE Inicialmente, o foco principal deste grupo era desenvolver a interface de rádio para o BWA, que usou o espectro da faixa GHz. Ele também suporta a base LOS ponto a multiponto (PMP) de banda larga sem fio do sistema IEEE O padrão foi desenvolvido em dezembro de Ele usa a faixa do espectro de GHz para fornecer conectividade de banda larga fixa sem fio e de técnicas de modulação de portadora única, como 16-QAM, 64-QAM e QPSK na camada física e divisão de tempo

12 multiplexado (TDM) técnicas na camada MAC. A norma inclui técnicas de diferencial de QoS para a melhoria das condições LOS base. O padrão utiliza TDD (Time Division Duplex) e FDD (Frequency Division Duplex), como técnicas de duplexação IEEE a-2003 A norma alterou a base IEEE , usando uma faixa de freqüência de 2-11 GHz, que inclui ambos licenciados e bandas de freqüência de licença livre. Devido à inclusão das freqüências baixas, inferiores a 11 GHz, a comunicação NLOS é possível. As operações NLOS introduziram os efeitos de propagação multipath, que foram superados através da adaptação das técnicas de modulação multiportadora na camada física. A OFDM foi escolhida como técnica de modulação. O padrão melhorou também questões de segurança, tornando as características da camada de privacidade obrigatórias IEEE c O padrão desenvolveu os detalhes do perfil de GHz e corrigiu as inconsistências envolvidas na norma anterior IEEE d-2004 Alteração do padrão IEEE a. Ele foi inicialmente considerado como a revisão do padrão IEEE e IEEE foi nomeado rev d. Mas em setembro de 2004, devido à credibilidade das alterações, foi nomeado IEEE d. O padrão foi desenvolvido para usuários fixos, nômades e móveis de modo a proporcionar fixo BWA. Ele suporta ambos os modos de transmissão TDD e FDD. A característica mais importante dessa norma é a prestação de apoio aos sistemas avançados de antena e modulação adaptativas e técnicas de codificação.

13 3.1.5 IEEE e-2005 O IEEE e-2005 é a alteração do padrão IEEE d-2004 e fornece suporte para a mobilidade dos assinantes, que podem se mover a uma velocidade de veículos e oferece serviços como de alta velocidade handoffs devido a seus avanços tecnológicos. Ele aumenta o desempenho geral do sistema devido ao apoio da AAS (Adaptive Antenna Systems) e MIMO. Facilita aos usuários móveis, fixos e portáteis. O padrão atualizou o recurso de segurança incluindo a subcamada de privacidade. 3.2 WiMAX FIXO x MÓVEL IEEE é conhecido como WiMAX fixo. O padrão foi originalmente desenvolvido como uma extensão sem fio da infra-estrutura cabeada. Ele usa OFDM para minimizar os efeitos do multipath e melhora a propagação de sinais em NLOS. O WiMAX fixo não tem mobilidade e esta é a razão pela qual ele não suporta handovers. O IEEE , também conhecido como WiMAX móvel, utiliza SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access),que divide a transportadora em até 2048 subportadoras. Essa divisão do sinal de portadora torna possível melhorar a penetração do sinal em prédios e devem oferecer produtos mais baratos para o assinante final, como placas de PC e USB. A diferença básica entre as variantes fixa e móvel do WiMAX é a sua mobilidade. O WiMAX móvel oferece suporte a usuários em movimento a velocidades de 120 km / h, e ativa o mecanismo de entrega, quando um usuário se move de uma estação base para outra. As principais diferenças entre os padrões WiMAX fixo e móvel são mostrados na tabela 1.[1]

14 Tabela 1 Comparativo entre WiMAX fixo e móvel. Fonte:[1]

15 3.3 IEEE CAMADAS DE PROTOCOLO O IEEE usa as duas primeiras camadas do modelo OSI (Open System Interconnection). A camada de PHY usa OFDM e o OFDMA como técnicas de transmissão enquanto que a camada de enlace de dados é dividido nas sub-camadas MAC e LCC ( Logical Link Control). A camada MAC é mais adiante dividida em três sub-camadas chamadas de Subcamada de Segurança, MAC subcamada de parte comum (CPS) e Subcamada de Convergência (CS). A pilha de protocolos da tecnologia WiMAX é mostrado na Figura 1, e consiste das duas primeiras camadas (PHY e de link de dados) do modelo OSI de referência. As camadas superiores incluem rede, transporte, sessão, apresentação e as camadas de aplicação do modelo OSI. Camada Superior Controle Lógico Enlace Camada Enlace dados Subcamada de Convergência Subcamada de parte comum (CPS) Subcamada de Segurança Camada MAC Camada Física Figura 1- Camada do Protocolo IEEE Fonte: [2] A camada física do WiMAX não só estabelece a conexão entre dispositivos de comunicação, mas também é responsável por definir a modulação / demodulação tipo de transmissão da seqüência de bits de entrada. Ele usa OFDM e OFDMA como esquemas de transmissão, que utiliza a faixa de freqüência entre 2-11 GHz. A faixa de freqüência abaixo de 11 GHz torna a comunicação sem fio e NLOS possível o uso de OFDM reduz os efeitos de multipath e Interferência Inter Simbólica (ISI). A camada física usa FDD e TDD como técnicas de duplexação. MAC fornece a interface entre a camada física e a de transportes. A partir de uma perspectiva de transmissão, a camada MAC recebe os pacotes das camadas superiores e as

16 organiza em Unidades de Protocolos de Dados (PDU's) para a transmissão através do meio livre. A SC da camada MAC pode fazer interface com os protocolos das camadas superiores. Portanto, o WiMAX suporta tanto protocolo IP e Ethernet. O CPS MAC é a parte central da camada MAC e é responsável pela manutenção da conexão, a alocação de largura de banda, enquadrando PDU, duplex e canalização. A subcamada de segurança liga o CPS da camada MAC e física e fornece os métodos necessários para criptografia e descriptografia de dados. Subcamada de segurança também é usada para autenticação e troca segura de senhas. 3.4 CAMADAS FÍSICAS DO PADRÃO IEEE WiMAX suporta cinco tipos de interfaces físicas devido ao uso de vários tipos de técnicas de modulação. Nesta seção, serão definidas as interfaces com a camada Física, que podem ser vistas na Tabela 2. WirelessMAN-SC: Utiliza técnicas de modulação de portadora única para a transmissão LOS dentro GHz. WirelessMAN-SCA: Utiliza técnicas de modulação de portadora única para a transmissão NLOS na banda de freqüência de 2-11 GHz. WirelessMAN-OFDM: É baseado em OFDM e está fornecendo a transmissão NLOS na banda de frequência de 2-11 GHz. WirelessMAN-OFDMA: Utiliza a faixa de freqüência licenciada de 2-11 GHz e suporta a operação NLOS usando o esquema de 2048 subportadoras OFDM. WirelessHUMAN: Baseia-se na faixa de freqüência de licença livre abaixo de 11 GHz. Pode usar qualquer uma das interfaces aéreas que utilizam 2-11 GHz. Ele usa como técnica de duplexação TDD.[3] A descrição das interfaces das camadas físicas é mostrada na tabela 2. [3].

17 Tabela 2 Interfaces da Camada Física IEEE Fonte:[3] 3.5 WirelessMAN OFDM CAMADA FÍSICA Usa OFDM que permite serviços de dados de alta velocidade e comunicação multimídia em ambientes NLOS. Pode reduzir os efeitos multipercurso em NLOS e oferece taxas de dados eficientes para a transmissão RESUMO DE OFDM OFDM é baseado em uma técnica de modulação multiportadora que, por sua vez, é baseado no conceito de divisão de fluxos de dados de entrada de altas taxas de bits de dados em vários fluxos de menores taxas de bits. OFDM modula cada fluxo em freqüências de portadoras separadas, conhecido como subportadoras. Modulação multiportadora (MCM) utiliza técnicas de banda de guarda para eliminar ou reduzir a ISI. A idéia de OFDM é ligeiramente diferente da MCM. No OFDM, subportadoras são colocados de tal maneira que elas são ortogonais entre si. Por conseguinte, o ICI (Inter Carrier Interference) é reduzida e a largura de banda disponível é utilizada de forma mais eficiente.

18 Figura 2 Comparação entre FDM convencional e OFDM. Fonte:[4] O uso de OFDM economiza largura de banda em relação à multiplexação por divisão de freqüência (FDM), conforme mostrado na figura 4. A natureza ortogonal da sobreposição de subportadoras OFDM não só reduz o ISI, mas também economiza a largura de banda do sistema que é diferente do FDM onde ISI é reduzido pela introdução de bandas de guarda. A adição de banda de guarda é o desperdício de energia e largura de banda OFDM DOMÍNIO DO TEMPO O prefixo cíclico (CP) poderá ser adicionado no início do símbolo OFDM antes da transmissão. A adição de CP mantém ortogonalidade e reduz a propagação de atraso introduzido por vários caminhos. O tempo ocupado pela CP é chamado Time Guarda (TG) e é usado no cálculo das várias taxas de dados. O tempo ocupado pelos dados é chamado de Td. Em WiMAX a proporção de TG / Td é conhecido como intervalo de guarda (G). A escolha de G depende das condições do canal de rádio. Os valores de G são 04/01, 08/01, 16/01, 1 / 32. A descrição do domínio do tempo de PB é mostrado na figura 3.

19 DADOS Figura 3 Prefixo cíclico no Domínio do Tempo OFDM DOMÍNIO DA FREQUÊNCIA Dados úteis não são transportados por todas as subportadoras de um símbolo OFDM. Quatro tipos de subportadoras são utilizados em WiMAX OFDM: Subportadoras de dados: Transporta dados úteis para a transmissão. Subportadoras piloto: Utilizadas para sincronização e estimativa de canal. Subportadora nula: Sem dados para a transmissão, conhecida como bandas de guarda de freqüência. Subportadora de corrente continua: Subportadora DC é chamada subportadora nula, uma vez que corresponde à freqüência zero se o sinal (FFT) Transformada Rápida de Fourier não é modulado. O sinal de FFT é obtido tomando a transformação do sinal discreto no domínio da freqüência discreta. Normalmente, a subportadora DC tem uma freqüência igual ao centro da freqüência de RF da estação transmissora. Figura 4 WiMAX OFDM - Símbolo no domínio da freqüência.

20 3.5.4 VANTAGENS E DESVANTAGENS DO OFDM OFDM traz muitas vantagens quando comparada com um sistema de portadora única de modulação VANTAGENS DO OFDM OFDM é simples de implementar, devido ao uso da FFT. OFDM é eficiente no espectro, devido à sobreposição de espectros e ortogonalidade. Ele é robusto, em transmissões NLOS. OFDM reduz os efeitos da ISI por meio do uso de um prefixo cíclico em um símbolo transmitido. Em cada subportadora OFDM é modulada por diferentes técnicas de modulação, como BPSK, QAM e QPSK. Ele é robusto contra interferências de banda estreita. É útil para demodulação coerente, pois as estimativas de canal baseadas no piloto são fáceis de implementar em sistemas OFDM DESVANTAGENS DO OFDM É muito sensível ao ruído de fase aguda, que é a freqüências mais elevadas. OFDM tem pico de média potência (PAPR), que provoca não-linearidades e distorções. É muito sensível ao tempo e offset da freqüência.[5] 3.6 ARQUITETURA DE REDE WIMAX IEEE e especifica a interface aérea, mas não define a arquitetura de rede ponto a ponto para o WiMAX. O Grupo de Trabalho de rede (GNT) desenvolveu uma arquitetura de rede de referência utilizada para a implantação do WiMAX. A interoperabilidade entre diversos equipamentos WiMAX e operadores pode ser assegurada por este quadro. A

21 arquitetura da rede é baseado em serviços IP e pode ser dividido logicamente em três partes: MS (Mobile Station), CSN (Conectivity Service Network) e ASN (Access Service Network). Figura 5 Arquitetura de rede WiMAX.

22 4 INTRODUÇAO AO LTE A 3 a Geração de Projetos de Parceria (3GPP) começou a trabalhar na evolução do sistema de celulares 3G em novembro de O 3GPP é o acordo de colaboração para a promoção de normas para celulares para fazer frente às necessidades futuras (altas taxas de dados, a eficiência espectral, etc.) O LTE 3GPP foi desenvolvido para proporcionar maiores taxas de dados, latências mais baixas, espectro mais largo e pacotes otimizados de tecnologia de rádio. Como outras tecnologias celulares, LTE utiliza OFDM como técnica de multiplexação. LTE utiliza OFDMA como downlink e Single Carrier FDMA (SC FDMA) como técnica de transmissão de uplink. A utilização de SC FDMA em LTE reduz o pico de potência média, que é a principal desvantagem de OFDM. O LTE utiliza um espectro mais amplo, até 20 MHz, para oferecer compatibilidade com as tecnologias celulares como UMTS e HSPA e aumenta a capacidade do sistema. LTE utiliza o espectro flexível que torna possível ser implantada em todas as combinações de largura de banda. Isso torna o LTE apropriado para vários tipos de recursos de espectro. LTE utiliza FDD e TDD duplex como técnicas para acomodar todos os tipos de recursos de espectro. 4.1 DESEMPENHO E METAS DO LTE

23 Tabela 3 Desempenho LTE, Downlink, Uplink e System. 4.2 LTE CAMADA FÍSICA A camada física LTE transmite dados e informações de controle entre a E-UTRAN NodeB (enodeb) e equipamento de usuário (UE) de forma eficiente. Ele emprega tecnologias avançadas como OFDM e MIMO para transmissão de dados. Além disso, o LTE usa OFDMA e SC-FDMA para transmissões de dados de downlink e uplink. O uso de SC-FDMA no uplink reduz a relação de pico de potencia media (PAPR) ESTRUTURA DE QUADRO GENERICO DO LTE O quadro genérico de LTE tem uma duração de 10ms e é subdividido em dez subquadros de 1ms de duração. Cada sub-frame é dividido em dois slots de 0,5 ms e em seis ou sete símbolos OFDM, dependendo do comprimento do CP. Cada slot usa 7 símbolos OFDM

24 em caso de CP normal, enquanto que 6 símbolos OFDM em caso de CP estendido. Subframes podem ser atribuídas tanto para uplink e downlink. Figura 6 Estrutura Genérica do quadro de downlink e uplink do LTE. Em caso de FDD, todos subframes são usados para downlink e uplink para transmissões de dados. Para TDD, subframe 1 e 6 são usados para a transmissão downlink enquanto o resto dos quadros são utilizados tanto para uplink ou downlink. Subframes 1 e 6 contêm sinais de sincronização para downlink. A Figura 10 mostra downlink e uplink atribuições subframe para FDD. Figura 7 Atribuição Downlink e Uplink de Subframe para FDD

25 Figura 8 Atribuição Downlink de Subframe para FDD. Figura 9 Atribuição Uplink de Subframe para TDD. 4.3 OFDMA BÁSICO OFDMA é uma extensão de OFDM e é utilizado no downlink de LTE. OFDMA distribui subportadoras para diferentes usuários ao mesmo tempo, onde vários usuários podem receber dados simultaneamente, em OFDM, um único usuário pode receber dados em todas as subportadoras em qualquer dado tempo. Subportadoras são alocados em grupos contíguos com espaçamento de subportadora de 15 khz, a fim de reduzir a sobrecarga de subportadoras indicando que foram atribuídos a cada usuário. OFDMA é baseado na Transformada Discreta de Fourier (DFT) e Transformada Inversa Discreta de Fourier (IDFT) para alternar entre o domínio tempo e o domínio da freqüência.

26 Figura 10 FFT Aplicada a várias entradas no Domínio do Tempo. FFT converte o sinal no domínio do tempo para o domínio da freqüência. Para uma onda senoidal, o resultado da operação FFT é um pico na freqüência correspondente, enquanto no caso da FFT onda quadrada esta operação resulta em ter picos múltiplos em várias freqüências. O maior pico da onda quadrada corresponde à freqüência fundamental (f = 1 / T) TRANSMISSOR E RECEPTOR OFDMA Transmissor OFDMA utiliza subportadoras estreitas e ortogonais de tal forma que no instante da amostragem de uma subportadora, a subportadoras restantes tem valor zero. Em LTE, OFDMA usa 15 khz fixo de espaçamento entre as subportadoras, independentemente da largura de banda de transmissão. No transmissor OFDMA, primeiro fluxo de bits de dados de alta freqüência é transmitido através do modulador. O modulador utiliza vários sistemas de codificação, como QAM. Os bits modulados são convertidos de serial para paralelo que se torna a entrada do bloco de IFFT. As entradas para o bloco de IFFT são as subportadoras convertidas em sinal de domínio de tempo. CP é adicionado o sinal, copiando a parte do símbolo no final e inserido no início. A vantagem da adição de prefixo cíclico é evitar a ISI. O comprimento do CP deve ser maior do que a propagação atraso do canal ou da resposta ao impulso do canal, a fim de evitar a ISI no receptor. O receptor faz o processo inverso, primeiro remove a extensão CP seguido da conversão serial para paralelo. As subportadoras são então passadas para bloquear FFT, que os converte em um sinal no domínio da frequência. O sinal no domínio da frequência é equalizado e demodulado.

27 Figura 11 Diagrama de Bloco OFDMA Transmissor-Recptor. O OFDMA trata da subportadora com base em blocos de recursos, em vez de subportadoras. Um bloqueio de recursos é composta por 12 subportadoras consecutivos com 15 khz de espaçamento no domínio da frequência para uma duração de 0,5 ms no domínio do tempo. O tamanho do RB é de 180 khz no domínio da frequência ao ter 84 símbolos OFDM (12 x 7 = 84) no domínio do tempo como no caso da CP normal. Um símbolo OFDM corresponde a um elemento de Recursos (RE). Os blocos de recursos OFDMA em LTE são mostrados na Figura 15. Figura 12 Estrutura dos Blocos de Recursos OFDMA.

28 5 COMPARAÇÃO ENTRE WiMAX E LTE Neste capítulo é feito um estudo comparativo entre WiMAX e LTE no contexto da arquitetura de sistemas, interfaces de rádio e aspectos do protocolo, modos de acesso e modulação. 5.1 ARQUITETURA WiMAX A arquitetura WiMAX é baseado em um modelo de referência da rede ponto a ponto REFERÊNCIA DE MODELO DE REDE WiMAX O modelo de referência de rede do WiMAX foi desenvolvido pelo (NWG). O modelo define a rede WiMAX inteiro. O NRM garante a interoperabilidade entre os vários dispositivos habilitados para o WiMAX e operadores. A arquitetura da rede é baseada em serviços IP e pode ser logicamente dividido em três partes; Estação Móvel, Serviço de Acesso e conectividade de rede. Figura 13 Referencia de rede do modelo WiMAX.

29 Para entendimento da figura 16 vamos adotar os seguintes acrônimos: MS (Mobile Station) Estação Móvel; ASN (Access Service Network) Serviço de Acesso de Rede; BS (Station Base) Estação Base; CNS (Connectivity Service Network) Conectividade de Serviço de Rede; A ligação lógica que conecta dois grupos funcionais se chama Ponto de Referência (PR). O NRM mostrado na Figura 17 tem 8 faixas RPs de R1 a R8. Tabela 4 Ponto de referencia ARQUITETURA LTE LTE suporta serviços de dados anteriores em pacotes ao contrário dos sistemas celulares que suporta circuito comutado de dados. Além disso, a LTE oferece conectividade IP sem

30 consulta a Rede de pacotes de dados e do equipamento utilizado. Arquitetura LTE é composta do Núcleo de rede e Rede de Acesso, em que o acesso de rede corresponde ao Núcleo de Pacotes Evoluídos, que vem do Sistema de Evolução de Arquitetura. O acesso à rede refere-se a E-UTRAN. A rede básica e o acesso de rede em conjunto correspondem ao Sistema de Pacotes Evoluídos. O Sistema de Pacotes Evoluídos conecta os usuários a rede de pacotes de dados por endereço IP para acesso à Internet e serviços como Voz sobre IP (VoIP). Normalmente, o portador do Sistema de Pacotes Evoluídos é associado com QoS. Portadores de múltiplas podem ser estabelecidas para um usuário para fornecer conectividade para Rede de Pacotes de dados e diferentes QoS. A arquitetura de rede global, incluindo vários elementos de Sistema de Pacotes Evoluídos. Figura 14 Elementos de rede EPS. Para entendimento da figura 18 vamos adotar os seguintes acrônimos: MME (Mobility Management Entity) Entidade Gestora; P-GW (Packet Data Network Gateway) Pacote de Dados do Gateway; S-GW (Serving Gateway) Servidor Gateway; PCRF (Policy Control and Charging Rules Function) Política de Controle e regras de tarifação de Função; HSS (Home Subscriber Server) Servidor de Assinantes;

31 REDE BÁSICA Rede básica é conhecida como Pacote de Núcleo Evoluído do Sistema de Evolução de Arquitetura. As principais responsabilidades da Rede Básica incluem o estabelecimento de suporte e controle do equipamento utilizado. Núcleo de Pacote Evoluído é composto de vários nós lógicos. Figura 15 Arquitetura de rede de acesso do LTE (E-UTRAN). As principais responsabilidades do E-UTRAN são as seguintes: Gestão de recurso de Rádio. Compactação de Cabeçalho. Segurança Conectividade do Núcleo de Pacotes Evoluídos. As funções descritas acima residem no enodeb prospectivo para a rede. Em contraste com tecnologias de geração anterior, o LTE incorporar funcionalidades de rádio controlador em enodeb que permite a interação perfeita entre as camadas de protocolo de acesso a rede. Este controle distribuído e elimina a necessidade de um controlador de rádio de processamento intensivo que por sua vez reduz o custo e evita um "ponto único de falha". Além disso, devido à ausência do controle de rádio melhorar a eficiência da rede, reduzindo a

32 latência. Não há transferência suave em LTE, o que elimina a necessidade de uma combinação de dados centralizada da função. 5.2 FREQUÊNCIA DE BANDA As faixas de frequências desempenham um papel importante para a prestação de serviços de banda larga sem fio. WiMAX usa faixas de frequências isentas de licenças e licenciadas para permitir um acesso banda larga sem fio. Cada faixa de freqüência tem características únicas que têm um impacto significativo sobre o desempenho geral do sistema. As faixas de frequência licenciadas usadas pelo WiMAX são: 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,3 GHz e 3,5 GHz. WiMAX usa faixa de frequência não licenciada de 5GHz. O perfil do WiMAX fixo criado em 2004 usou 5,8 GHz não licenciada. Além disso, várias faixas de frequência de 5 GHz e 6 GHz estão sob consideração para o WiMAX não licenciados. Tabela 5 Frequência usadas para WiMAX global. LTE pode ser implantado no espectro emparelhado e não emparelhado. Para espectro emparelhado uplink e downlink usam faixas de frequência separados para as transmissões. Além disso, podemos implantar sistemas FDD no espectro emparelhado. Sistemas TDD são implantados no espectro não emparelhado. No espectro não emparelhado uplink e downlink usam mesma faixa de frequência para as transmissões.

33 Tabela 6 Frequência de banda LTE em FDD. Tabela 7 Frequência de banda LTE em TDD.

34 LTE e WiMAX usam FDD e TDD como modos de acesso via rádio. Em FDD a banda base é um usuário móvel transmitindo e recebendo simultaneamente, devido à atribuição de faixas de frequências distintas. Enquanto em TDD downlink e uplink de transmite em horários diferentes, devido compartilhar a mesma frequência. O modo de rádio atualmente especificados pelo WiMAX é TDD, considerando que a LTE é especificado para FDD. As explorações espectrais das operadoras será um fator chave de decisão para a seleção da tecnologia (com base em FDD e TDD). As taxas de pico de dados de LTE e WiMAX depende de configuração de múltiplas antenas o esquema de modulação utilizado. As taxas de pico de dados de LTE e WiMAX no DL e UL são ilustradas na figura 23. Tabela 8 Taxas de dados de picodo LTE e WiMAX TECNOLOGIA DE ACESSO MÚLTIPLO As várias tecnologias de acesso utilizadas pelo WiMAX e o LTE são bastante similares a única diferença é no uplink. A tecnologia de acesso múltiplo aprovada no downlink e uplink do LTE e do WiMAX é o OFDMA, enquanto uplink da LTE é baseado em SC-FDMA. O benefício da SC-FDMA no uplink é a redução da relação media de pico de potência OFDMA É uma extensão OFDM e é utilizado no downlink do LTE e uplink/downlink do WiMAX. Em OFDMA as subportadoras são atribuídos dinamicamente aos usuários em diferentes horários. OFDMA tem várias vantagens em relação ao OFDM, onde um único usuário pode transmitir / receber no período de tempo maior. Devido a isso, OFDM sofre relação de pico de potencia media. OFDMA reduz a relação de pico de potencia media distribuindo a banda

35 inteira a múltiplas estações móveis com baixo poder de transmissão. Além disso, OFDMA acomoda múltiplos usuários com aplicações muito diferentes, os requisitos de QoS e as taxas de dados SC-FDMA SC-FDMA é uma extensão do OFDMA e é usado no uplink de LTE. SC-FDMA reduz significativamente a relação media de pico de potencia em comparação com OFDMA adicionando blocos adicionais de DFT e IDFT no transmissor e receptor. No entanto, devido às semelhanças existentes com OFDMA, parametrização de LTE no uplink e downlink podem ser harmonizadas. Figura 16 Visualização 3D do OFDMA PARAMETROS DE MODULAÇÃO O WiMAX e o LTE suportam larguras de banda flexíveis de 1,25MHz até 20MHz. Devido a flexibilidade da largura de banda das duas tecnologias, elas utilizam vários parâmetros de modulação, como por exemplo espaçamento entre subportadoras.

36 Tabela 9 Parametros de modulação do LTE e WiMAX. 5.3 TÉCNICA DE MULTIPLAS ANTENAS O WiMAX e o LTE usam configurações de múltiplas antenas no uplink e downlink, a fim de aumentar a capacidade, a diversidade, as taxas de dados e eficiência em relação aos sistemas de uma única antena. O WiMAX usa três tipos de tecnologia de múltiplas antenas, como a SAS, a diversidade de técnicas e MIMO. Os sistemas MIMO são subdivididos em malha aberta e sistemas de circuito fechado. O WiMAX suporta 1, 2 ou 4 antenas no BS e 1 ou 2 antenas no MS. O LTE utiliza múltiplas antenas técnicas e espectro mais amplo para fornecer velocidades de dados em toda a área de cobertura celular. As técnicas avançadas de antena utilizada pelo LTE são beamforming, SDMA (Spatial Division Multiple Access) e MIMO. A configuração de antena suportada pelo LTE é DL (2x2) e (4x4), com 2 ou 4 antenas em enodeb e 2 ou 4 antenas na UE. A UL do LTE suporta MIMO 2x2 com 2 antenas na UE, bem como a enodeb. Além disso, o número de palavras código usado pelo LTE é 2, que são independentes da configuração de antena.

37 Tabela 10 Aspecto MINO no LTE e WiMAX. 5.4 MODULAÇÃO LTE e WiMAX usam esquemas de modulação como QPSK, 16-QAM ou 64-QAM em uplink e downlink. No entanto, o uso de 64-QAM no uplink do WiMAX é opcional. 5.5 MOBILIDADE O WiMAX móvel suporta o modo ocioso e modo de hibernação de conectividade. No modo ocioso, o equipamento do usuário não está registrado com a estação base, enquanto que no modo de hibernação o equipamento do usuário pode procurar estações base vizinhas ou pode desligar. WiMAX móvel suporta três tipos de entregas; HHO (Hard Handover), MDHO (Macro Diversity Handover) e FBSS( Fast Base Station Switching). HHOs são obrigatórios em WiMAX móvel enquanto FBSS e MDHO são utilizados opcionalmente. A velocidade de mobilidade suportada pelo WiMAX móvel é de até 120 km / h. O LTE suporta RRC_IDLE e modos RRC-conectado para oferecer mobilidade. Em contraste com o WiMAX, LTE suporta Inter Soft Cell handovers e entregas Inter RAT mobilidade com velocidades até 350 km / h.

38 Tabela 11 Resumo comparativo entre LTE e WiMAX

39 6 CONCLUSÃO O WiMAX e o LTE são padrões tecnicamente semelhantes. No entanto, existem algumas diferenças presentes no método de acesso uplink utilizado para ambas as tecnologias. O LTE utiliza SC-FDMA enquanto o WiMAX usa OFDMA como um método de acesso. A adaptação da SC-FDMA no uplink oferece vantagem para o LTE sobre WiMAX, porque resolve o problema de relação media de pico de potencia OFDMA devido à sua natureza de portadora simples. O LTE oferece melhores taxas de dados no uplink e downlink devido ao apoio do sistema MIMO em relação ao WiMAX, que só suporta MIMO na direção downlink. Pelo potencial de mercado, o WiMAX tem vantagem sobre LTE, devido à sua implantação inicial. WiMAX foi implantado pela primeira vez em Considerando que LTE ainda não está inteiramente implantado. Devido à vantagem de tempo de uso da tecnologia WiMAX em relação à LTE, podemos também concluir que os prestadores de serviços novos e já existentes irá para WiMAX móvel, a fim de fornecer serviços móveis aos assinantes. Concluímos também que os prestadores de serviços de GSM e CDMA 2000 nos países em desenvolvimento vão naturalmente para o WiMAX móvel para serviços de banda larga sem fio, enquanto prestadores de serviços de UMTS / HSPA devem ir para o 3GPP LTE.

40 7 BIBLIOGRAFIA [1] Jeffrey G.Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed, Fundamentals of WiMAX, Prentice Hall Communications Engineering and Emerging Technology Series, [2] Syed Ahson, Mohammad Ilyas, WiMAX Applications, pp, 3, CRC Press, 2008 [3] IEEE , IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, 1 October, 2004 [4] Wu, Zhongshan, MIMO OFDM Communication Systems: Channel Estimation and Wireless Location, PhD Thesis, Dept. of Electrical & Computer Engineering, Louisiana State University, USA, May 2006 [5] M. Rahman, S. Das, F. Fitzek, OFDM based WLAN systems, Technical Report, Aalborg University, Denmark, February 2005